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CN204299705U - 燃气涡轮机排放物控制系统 - Google Patents

燃气涡轮机排放物控制系统 Download PDF

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CN204299705U
CN204299705U CN201420399938.0U CN201420399938U CN204299705U CN 204299705 U CN204299705 U CN 204299705U CN 201420399938 U CN201420399938 U CN 201420399938U CN 204299705 U CN204299705 U CN 204299705U
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controller
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CN201420399938.0U
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R.F.霍斯金
B.奈杜
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General Electric Company PLC
Original Assignee
General Electric Co
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Abstract

本实用新型涉及一种燃气涡轮机排放物控制系统，所述系统包括：配置用于产生排气的燃气涡轮发动机；配置用于从所述排气产生处理后排气的选择性催化还原系统；和控制系统。所述控制系统包括：配置用于调节所述选择性催化还原系统的运行的第一控制器；配置用于调节所述燃气涡轮发动机的运行的第二控制器；和优化器，所述优化器配置用于协调所述第一控制器和所述第二控制器的运行以便同时最大化所述排气中的排放化合物的第一水平和调节还原剂到所述选择性催化还原系统中的喷射，以便使所述处理后排气中的所述排放化合物的第二水平降低至所述处理后排气中的所述排放化合物的第一期望水平。

Description

燃气涡轮机排放物控制系统
技术领域
本说明书中所公开的主题涉及涡轮机系统，并且更确切地说，涉及用于调节这类涡轮机系统所产生的排放物的系统和方法。
背景技术
燃气涡轮机系统通常包括具有压缩机、燃烧器和涡轮机的至少一个燃气涡轮发动机。燃烧器配置用于使燃料和压缩空气的混合物燃烧以便生成热的燃烧气体，所述热的燃烧气体进而驱动涡轮机的叶片。燃气涡轮发动机所产生的排气可包括某些副产物，如氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)、碳氧化物(COx)和未燃尽的碳氢化合物。一般来说，合乎期望的是在将排气释放到大气中之前消除或大幅减少排气中的这类副产物的量。
实用新型内容
下文概述与原始所要求的发明在范围上相当的某些实施例。这些实施方案并非意图限制所要求的发明范围，相反，这些实施方案仅仅意图简要概述本实用新型的可能形式。实际上，本实用新型可以涵盖可与下述实施例类似或不同的各种形式。
在第一实施例中，一种系统包括：配置用于产生排气的燃气涡轮发动机；配置用于从所述排气产生处理后排气的选择性催化还原系统；以及控制系统。所述控制系统包括：配置用于调节选择性催化还原系统的运行的第一控制器；配置用于调节燃气涡轮发动机的运行的第二控制器；以及优化器，所述优化器配置用于协调第一控制器和第二控制器的运行以便同时增大排气中的排放化合物的第一水平和调节还原剂到选择性催化还原系统中的喷射，以便使处理后排气中的排放化合物的第二水平降低至处理后排气中的排放化合物的第一期望/所需水平。
其中，所述优化器配置用于调节所述选择性催化还原系统中的未反应还原剂的第一量，以实现所述未反应还原剂的第二期望值。
其中，所述控制系统包括燃气涡轮发动机控制器，所述燃气涡轮发动机控制器配置用于调节所述燃气涡轮发动机的一个或多个操作系统，以增加所述燃气涡轮发动机所产生的所述排气中的所述排放化合物的所述第一水平。
在第二实施例中，一种操作涡轮机系统的方法包括：在低于全负载下操作涡轮机系统的燃气涡轮发动机；操作选择性催化还原系统以使燃气涡轮发动机所产生的排气中的排放化合物的水平降低至期望水平；确定选择性催化还原系统的可用的未使用的能力/容量(capacity)以进一步降低燃气涡轮发动机所产生的排气中的排放化合物的水平；以及通过调整燃气涡轮发动机的一个或多个运行参数来增加燃气涡 轮发动机所产生的排气中的排放化合物的水平。
在第三实施例中，一种操作涡轮机系统的方法包括：设定离开燃气涡轮发动机并进入选择性催化还原系统的排气中的排放化合物的第一量的第一期望值(或者称为“所需值”)，所述选择性催化还原系统配置用于将排气处理成处理后排气；设定选择性催化还原系统中的还原剂遗漏(slip)的第二量的第二期望值；设定离开选择性还原系统的过程排气中的排放化合物的第三期望值；将还原剂喷射到选择性催化还原系统中以实现还原剂遗漏的所述第二量的所述第二期望值；确定针对离开燃气涡轮发动机并进入选择性催化还原系统的排气中的排放化合物的所述第一量的所述第一期望值的调整，以便设定所述排放化合物的所述第一量的新的第一期望值；以及调整燃气涡轮发动机的至少一个运行参数以实现排放化合物的所述第一量的所述新的第一期望值。
附图说明
在参照附图阅读以下详细说明后，将更好地理解本实用新型的这些和其他特征、方面和优点，在附图中，类似的字符表示所有附图中类似的部分，其中：
图1是根据本实用新型的实施例的涡轮机系统的方框图，所述涡轮机系统包括用于控制涡轮机系统的排放物的系统；
图2是用于控制图1所示涡轮机系统的排放物的方法的流程图； 以及
图3是用于控制图1所示涡轮机系统的排放物的方法的流程图。
具体实施方式
下文将对本实用新型的一个或多个特定实施例进行描述。为了简要描述这些实施例，本说明书中可能不会描述实际实现方案的所有特征。应了解，在任何工程或设计项目中开发任何此类实际实现方案时，均必须做出与实现方案特定相关的各种决定，以实现开发人员的特定目标，如是否要遵守与系统相关以及与业务相关的限制，这些限制可能会因实现方案的不同而有所不同。此外，应了解，此类开发工作可能复杂而且耗时，但对所属领域中受益于本实用新型的普通技术人员而言，这将仍是设计、制造以及生产中的常规任务。
当介绍本实用新型的各个实施例的元件时，冠词“一(a)”、“一个(an)”、“该(the)”和“所述(said)”旨在表示存在一个或多个元件。术语“包括(comprising)”、“包括(including)”和“具有(having)”旨在是包括性的，并且表示除了所列元件外，可能还存在其他元件。
本实用新型的实施例总体涉及用于控制燃气涡轮机系统的排放物的技术。例如，在燃气涡轮机系统中，一个或多个燃气涡轮发动机可使燃料燃烧以产生用于驱动一个或多个涡轮机级的燃烧气体，每一个所述涡轮机级均具有多个叶片。取决于所燃烧的燃料类型，由燃烧过程所产生的排气排放物可包括氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)、 碳氧化物(COx)和未燃尽的碳氢化合物。通常，燃气涡轮机系统(如燃气涡轮发电设备)所释放的排气的成分受到严格的监管要求。仅作为实例，法规可能要求释放到大气中的排气的NOx成分不大于阈值水平，如百万分之3(3ppm)。
一种用于移除或减少排气流中的NOx的量的技术是选择性催化还原(SCR)。在SCR过程中，使还原剂，如氨(NH3)喷射到排气流中并且与NOx反应以产生氮(N2)和水(H2O)。SCR过程的有效性可至少部分地取决于喷射到排气流中的还原剂的量。然而，当还原剂被过度喷射到排气流中时，多余的还原剂可不与NOx反应。因此，一定量的还原剂可“遗漏(slip)”或经过过SCR过程而不发生反应。
另一种用于移除或减少排气流中的NOx(或其他排放化合物)的量的技术是调节燃气涡轮机系统的运行。例如，可调节燃料系统运行(例如，调整燃料-空气比、燃料分流等)以便在燃气涡轮机系统的燃烧器内维持低的火焰温度，并且从而降低NOx排放水平。再例如，将水或蒸汽喷射到燃气涡轮机系统的燃烧器中可降低NOx排放水平。然而，水或蒸汽喷射可增加涡轮机系统内的燃烧动力学(例如，声学振荡和/或压力振荡)。因此，可能合乎期望的是，监测和/或调节喷射到涡轮机系统的燃烧器中的水或蒸汽的量。
这样，根据本实用新型的实施例，一种涡轮机系统(如简单循环重负载燃气涡轮机系统或航空发动机衍生物燃烧系统)可包括配置用于调节和协调燃气涡轮机系统的各种排放物控制技术(例如，燃料/ 空气比、火焰温度、蒸汽喷射、水喷射、燃料成分等)的控制系统以及用以实现涡轮机系统所产生的排放物(例如，烟囱排放物)的期望质量的选择性催化还原系统(例如，排气段中的选择性催化还原系统)。例如，如以下将进一步描述，控制系统可配置用于利用SCR系统的可用的NOx还原能力来降低NOx排放水平，同时使得能够减少燃气涡轮机系统中的排放物控制措施的使用。以这种方式，可调整燃料系统运行(例如，可增大或减小燃料/空气比)、可减少蒸汽或水喷射、或可调整或改进燃气涡轮机系统的其他运行参数，以减少燃烧动力学(例如，声学振荡和/或压力振荡)、并且从而减少燃烧器和/或涡轮机硬件的机械疲劳和热疲劳。另外，可提高涡轮机系统的性能、功率输出和效率。
在一个实施例中，可预设定或预定燃气涡轮机系统的燃气涡轮机所产生的NOx的量的变化(例如，传送至SCR系统的排气中的NOx的量的变化)。例如，可将燃气涡轮机的NOx排放物预定为燃气涡轮机负载的函数。这样，SCR系统的控制器可配置用于将适当量的还原剂(例如，基于燃气涡轮机所产生的排气中的NOx的量)喷射到SCR系统中，以便维持燃气涡轮机系统的排放物(例如，烟囱排放物(stack emissions))的排放水平(例如，NOx水平)低于阈值水平。在另一个实施例中，可同时控制SCR系统中的还原剂“遗漏”的量(例如，未反应的还原剂的量)和燃气涡轮机系统的排放物(例如，烟囱排放物)中的NOx的量，来减少涡轮燃气发动机中的、导致进入SCR系统的 排气中的NOx增加的排放物控制措施，同时在SCR系统中仍然维持排放水平(例如，烟囱NOx水平)低于所需/期望水平或阈值水平。为此，可调整一个或多个燃气涡轮机(例如，燃烧)运行参数来减少燃烧器中的排放物控制措施，这可减少燃气涡轮机运行期间所产生的燃烧动力学的量和/或提高涡轮机系统的功率输出、性能、效率等，如以下所讨论。虽然以下所讨论的实施例是在NOx还原的情况下进行描述，但是应了解，所公开的技术也可用于其他排放化合物(例如，CO)的还原。另外，在某些实施例中，第一排放化合物(例如，NOx)的水平可增加，从而导致第二排放化合物(例如，CO)的水平减少。例如，以下文所述的方式，当燃气涡轮发动机中的NOx排放水平增加时，燃气涡轮发动机中的CO水平减少。
考虑到前述内容，图1是包括燃气涡轮发动机12和排气处理系统14的示例性涡轮机系统10的方框图。在某些实施例中，涡轮机系统10可以是发电系统。涡轮机系统10可使液体或气体燃料(如天然气和/或富氢合成气)燃烧以生成热的燃烧气体来驱动涡轮机系统10。
如所示出，燃气涡轮发动机12包括进气口段16、压缩机18、燃烧器段20和涡轮机22。涡轮机20可通过轴驱动性地连接至压缩机18。在操作中，空气通过进气口段16进入涡轮发动机12(由箭头17指示)，并且在压缩机18中进行加压。压缩机18可包括连接至所述轴的多个压缩机叶片。所述轴的转动引起压缩机叶片的转动，从而将空气吸入压缩机18中并且在空气进入燃烧器段20中之前将空气压 缩。
燃烧器段20可包括一个或多个燃烧器。在一个实施例中，多个燃烧器可围绕所述轴以大体上圆形或环形构型设置在多个周向位置处。当压缩空气离开压缩机18并进入燃烧器段20时，所述压缩空气可与燃料19混合以便在燃烧器内燃烧。例如，所述燃烧器可包括一个或多个燃料喷嘴，所述燃料喷嘴将燃料-空气混合物以适用于燃烧、排放物控制、燃料消耗、功率输出等的比率喷射到燃烧器中。空气和燃料的燃烧生成热的加压排气，所述热的加压排气随后可用于驱动涡轮机22内的一个或多个涡轮机级(每个涡轮机级均具有多个涡轮机叶片)。在操作中，流入涡轮机22中并穿过涡轮机22的燃烧气体逆着涡轮机叶片并在其间流动，从而驱动涡轮机叶片，并且因此驱动所述轴转动以驱动负载(如发电设备中的发电机)。如以上所讨论，所述轴的转动还引起压缩机18内的叶片吸入由进口16所接收的空气中并对其进行加压。
流过涡轮机22的燃烧气体可作为排气流26离开涡轮机22的下游端24。排气流26可继续朝向排气处理系统14在下游方向27上流动。排气处理系统14可包括用于将来自排气26的热能传递至其他系统(例如，蒸汽涡轮机)的高压(HP)空气-至-蒸汽热交换器31、中压(IP)空气-至-蒸汽热交换器33和低压(LP)空气-至-蒸汽热交换器35。其他实施例可包括热交换器31、33和35中的一些、或都不包括。涡轮机22的下游端24可流体地连接至排气处理系统14的SCR 系统30。如以上所讨论，作为燃烧过程的结果，排气26可包括某些副产物，如氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)、碳氧化物(COx)和未燃尽的碳氢化合物。由于某些监管要求，可采用排气处理系统14来在将排气流释放到大气中之前使这类副产物的浓度降低或大体上最小化。如应了解，SCR系统30可基于应用中的NOx还原的最大需求来设计或确定尺寸。因此，当燃气涡轮发动机12不以全负载、或基本负载运行、并且燃气涡轮发动机12不产生最大NOx水平或最大排气流26时，SCR系统30可具有用于NOx还原的另外的(例如，未使用的)能力。以下文所述的方式，在低于燃气涡轮发动机12全负载的情况下，SCR系统30的另外的或未使用的NOx还原能力可用于通过减少燃烧器中的其他排放物控制措施的使用来提高燃烧器24的运行和寿命。另外，在某些实施例中，SCR系统30可过度设计以提供另外的NOx还原能力。这样，燃气涡轮发动机12可在全负载下运行，并且SCR系统30的未使用能力可用于进一步降低排气流26中的NOx水平。
如以上所提及，一种用于移除或减少排气流中的NOx的量的技术是使用选择性催化还原(SCR)过程/工艺。例如，在用于从排气流26移除NOx的SCR过程中，使氨(NH3)喷射到排气流(例如，排气26)中并且与NOx反应以产生氮(N2)和水(H2O)。如应了解，这个SCR过程的有效性可至少部分地取决于喷射到排气26中的氨(NH3)的量。如以下详细地讨论，喷射到排气26中的氨(NH3)的 量可与燃气涡轮发动机12的其他运行参数一起调节，以便维持燃气涡轮发动机12(例如，排气26)和整个涡轮机系统(例如，烟囱排放物)的排放水平(例如，NOx排放水平)低于一个或多个阈值水平。
如图1中所示，SCR系统30包括配置用于将还原剂喷射到排气流26中(如箭头34所指示)的还原剂(例如，氨(NH3))喷射栅格32。在一个实施例中，还原剂喷射栅格32可包括具有开口的管道网络，所述开口用于将还原剂喷射到排气流26中。还原剂喷射(例如，箭头34)发生在SCR催化剂37的上游。如应了解，还原剂和排气26中的NOx在经过SCR催化剂37时进行反应以产生氮(N2)和水(H2O)，因此将NOx从排气26移除。所产生的排放物(例如处理后排气流36或烟囱排放物)通过涡轮机系统10的烟囱38释放到大气中，如箭头40所指示。此外，在一些实施例中，烟囱36可包括消音器或消声器。
如所示出，还原剂(例如，氨(NH3))可由还原剂源42(例如，还原剂存储箱)供应至还原剂喷射栅格32。另外，阀44可控制供应至还原剂喷射栅格32的还原剂的流速。如以下详细地讨论，可控制还原剂的流速以实现处理后排气流36(例如，烟囱排放物)中的所需/期望NOx浓度(例如，低于阈值水平)。例如，在某些实施例中，还原剂的流速可至少部分地基于排气26中的进入SCR系统30的NOx的量。另外，还原剂的流速可至少部分地基于SCR系统30的可用的NOx还原能力。
虽然本实施例总体集中于NOx从排气流26的处理和移除，但其他实施例可提供其他燃烧副产物(如一氧化碳或未燃尽的碳氢化合物)的移除。这样，所供应的催化剂可根据从排气流26所移除的成分而变化。另外，应理解，本说明中所公开的实施例并不限于使用一个SCR系统30，而是也可包括多个SCR系统30。
仍参照图1，涡轮机系统10进一步包括配置用于调节燃气涡轮发动机12和排气处理系统14的运行的涡轮机系统控制系统46。确切地说，涡轮机系统控制系统46包括排气处理控制系统48和燃气涡轮发动机控制系统50，所述排气处理控制系统48和所述燃气涡轮发动机控制系统50可一起工作来协调排放物(例如，NOx、CO等)从排气流26的处理和移除。例如，以下文详细描述的方式，涡轮机系统控制系统46(例如，排气处理控制系统48和/或燃气涡轮发动机控制系统50)可调节燃气涡轮发动机12和/或SCR系统30的一个或多个运行参数来控制排气26和处理后排气36二者中的NOx还原的相对量。换言之，可增加SCR系统30中的NOx还原以使得燃气涡轮发动机12中的NOx排放物控制能够减少。
如所示出，排气处理控制系统48包括具有微处理器54和存储器56的控制器52。例如，存储器56可包括具有可执行指令的任何合适的有形计算机可读介质。排气处理控制系统48进一步包括优化器58，所述优化器58可配置用于控制或调节涡轮机系统10的一个或多个运行参数，以便协调燃气涡轮发动机12和SCR系统30中的NOx还原 (例如，优化其相对量)。例如，优化器58也可包括具有可执行指令的存储器56，所述可执行指令用于控制排气26和处理后排气36中的NOx还原。排气处理控制系统48可调节SCR系统30的一个或多个部件。例如，如图示实施例中所示，排气处理控制系统48可调节阀44的操作。以这种方式，排气处理控制系统48可控制进入SCR系统30中的还原剂(例如，氨(NH3))的流速，从而调整从燃气涡轮发动机12下游的排气26移除的NOx的量。排气处理系统48也可调节SCR系统30的其他部件的运行。
另外，排气处理控制系统48可基于测量反馈来调节SCR系统30的各个部件的运行。例如，SCR系统30可包括配置用于测量SCR系统30中的还原剂“遗漏”的传感器60。如以上所提及，当还原剂过度喷射到排气26中时，一定量的还原剂可能“遗漏”或穿过SCR系统30而不发生反应。这样，传感器60可配置用于测量SCR系统30中的和还原剂喷射栅格32下游的未反应还原剂的量。此外，SCR系统30可包括：持续监测离开烟囱38的处理后排气流36的成分的传感器62；配置用于测量从还原剂源42供应至还原剂喷射栅格32的还原剂的流速的传感器64；以及配置用于测量排气26中的NOx的传感器66。例如，在某些实施例中，控制器52以及传感器62和66可使用美国专利号8,151,571中所描述的激光发射测量和控制系统来测量排放物参数，所述专利的全部内容据此以引用的方式并入本说明书。另外，在某些实施例中，传感器60和控制器52可使用美国专利申请公开号 US2011/0192147中所描述的还原剂遗漏控制算法来测量还原剂遗漏，所述专利申请的全部内容据此以引用的方式并入本说明书。以下文所述的方式，排气处理控制系统48可利用来自传感器60、62、64和66中的一个或多个或来自SCR系统30的其他传感器的测量反馈来调节和协调排气26和处理后排气36中的NOx还原(例如，优化其相对量)。
类似地，优化器58可进一步调节燃气涡轮发动机12的运行。在某些实施例中，优化器58可基于来自传感器60、62、64和66的测量反馈来调节燃气涡轮发动机12的一个或多个部件的运行。例如，燃气涡轮发动机控制系统40的燃气涡轮控制器68可从优化器58和/或排气处理控制系统48接收操作指令或反馈。作为响应，燃气涡轮控制器68可调节燃气涡轮发动机12的一个或多个系统70。例如，燃气涡轮控制器68可控制燃料系统72的运行，所述燃料系统72将燃料供应至燃烧器20。确切地说，燃气涡轮控制器68可控制燃料系统72来调节燃料流速、燃料分流(例如，在2个或多个燃料喷嘴和/或燃烧器之间的燃料分流)、燃料成分、空气-燃料比(例如，燃料富余、燃料贫乏或大体上理想配比(stoichiometric))、或与提供至燃烧器20的燃料相关的其他运行参数。另外，燃气涡轮控制器68可调节燃气涡轮发动机12的水系统74的运行。如以上所提及，水或蒸汽可喷射(例如，从水系统74)到燃烧器20中，以减少离开涡轮22的排气流26中的NOx。然而，喷射到燃烧器20中的水(例如液态水或蒸汽)可增加燃烧器20中的压力振荡和振动(例如，燃烧动力学)。因此， 以下文所述的方式，涡轮机系统控制系统46(例如，排气处理控制系统48和/或燃气涡轮发动机控制系统50)可配置用于控制从水系统74喷射到燃烧器20中的水的量，并且同时控制涡轮机系统10的其他运行参数。此外，燃气涡轮控制器68可调节或控制燃气涡轮发动机12的其他操作系统76(例如，基于从排气处理控制系统48和/或优化器58所接收的指令和/或反馈)。例如，其他操作系统76可包括配置用于调节燃气涡轮发动机12的模式、燃烧器20的火焰温度等的系统。
此外，涡轮系统控制系统46(例如，排气处理控制系统48和/或燃气涡轮发动机控制系统50)可配置用于接收用户输入78，并且基于所述用户输入78来控制涡轮机系统10的运行和NOx水平。例如，用户输入78可包括还原剂价格、排气NOx设定点、电价格、电需求、燃料价格、燃烧器停运间隔时间、NOx信用额(credits)、其他财务信息和/或与涡轮系统10的运行相关的其他信息。这种用户输入78信息可进一步整合到排气26中NOx还原的控件/控制(例如，燃气涡轮发动机12内的NOx控件/控制)中和处理后排气36中的NOx还原的控件(例如，排气处理系统14内的NOx控件)中。在某些实施例中，优化器58可使用其他约束或控制参数。例如，另外的约束/限制可包括基于环境法规、烟囱38CO排放物法规或其他操作约束/限制的可允许的还原剂遗漏。
如以上所提及，优化器58配置用于调节涡轮机系统10的运行以控制涡轮机系统10内的NOx还原，同时增加涡轮机系统10的硬件寿 命和零件寿命(例如，通过减少燃烧动力学、减少CO、增加贫燃熄火(lean blow out)余量等)。例如，在一个实施例中，可预定(例如，预设定)排气26中的NOx水平的变化，并且可控制SCR系统30以实现通过烟囱38释放的处理后排气36中的容许NOx水平。在另一个实施例中，可同时控制处理后排气36中的还原剂遗漏(例如，未反应的还原剂)和NOx水平，以实现处理后排气36中的NOx的容许水平。在这种实施例中，可控制燃气涡轮发动机12的一个或多个运行条件来减少燃气涡轮发动机12内的、导致进入SCR系统30的排气26中的NOx的量增加的NOx控制措施，从而利用SCR系统30的能力来将排气26中的NOx水平降低至容许水平。以这种方式，可减少燃气涡轮发动机12的水/蒸汽喷射和/或其他NOx还原措施，从而减少燃烧动力学并延长燃烧器20寿命、增加贫燃熄火余量并减少燃烧器跳闸和熄火、减少负载下调等等。
图2是示出使用涡轮机系统控制系统46来控制涡轮机系统10的排放物的方法100的流程图。如步骤102所指示，可预定燃气涡轮发动机12的NOx水平(例如，离开燃气涡轮发动机12的排气26中的NOx水平)的变化。例如，离开燃气涡轮发动机12的排气26中的NOx水平可基于燃气涡轮发动机12的预定负载、运行模式(例如，启动、稳定状态、关闭、部分负载、调低等)或运行时间而变化。在一个实施例中，第一水平的NOx排放物可以是容许的或是燃气涡轮发动机12在第一时间段的输出，并且随后第二水平的NOx排放物可以是容许的 或是燃气涡轮发动机12在第二时间段的输出。在第一时间段和第二时间段期间，可控制SCR系统30来使排气26中的NOx排放物进一步降低至处理后排气36的容许水平。在某些实施例中，可在涡轮机系统控制系统46中将离开燃气涡轮发动机12并进入SCR系统30的排气26中的NOx水平预定或预设定为用户输入78。如应了解，燃气涡轮发动机控制系统50可配置用于控制一个或多个运行系统70(例如，燃料系统72、水系统74或其他系统76)以实现排气26中的预定或预设定的NOx水平。在某些实施例中，传感器66可测量离开燃气涡轮发动机12的排气26中的NOx水平，并且涡轮机系统控制系统48可将反馈或指令传达至燃气涡轮控制器68，以调节运行系统70中的一个或多个，从而实现预定的NOx水平。
在离开燃气涡轮发动机12的排气26的NOx水平已预定或预设定的情况下，可操作或控制SCR系统30(例如，通过排气处理控制系统48)来实现离开烟囱38的处理后排气36中的NOx的容许水平，如步骤104所指示。例如，基于进入SCR系统30的排气26中的NOx水平，排气处理控制系统48可调节阀44的操作以控制通过还原剂喷射栅格32进入SCR系统30的还原剂(例如，氨)的量。确切地说，可控制喷射到SCR系统30中的还原剂的量来实现处理后排气36的容许NOx水平。例如，排气处理控制系统48可从传感器62接收处理后排气36中的NOx的测定量，并且控制器52可调节阀44的操作以便将足够量的还原剂喷射到SCR系统30中，从而使处理后排气36中的 NOx水平降低至容许水平。
图3是示出使用涡轮机系统控制系统46来控制涡轮机系统10的排放物的方法120的流程图。例如，图示方法120可用于增大(例如，最大化)离开燃气涡轮发动机12并进入SCR系统30的排气26中的NOx的量，同时实现通过烟囱38离开涡轮机系统10的处理后排气36中的容许NOx水平。首先，如步骤122所指示，可设定离开燃气涡轮发动机12并进入SCR系统30的排气26中的NOx的所需值(即，期望值)或目标值。例如，可通过用户输入78在优化器58中设定离开燃气涡轮发动机12并进入SCR系统30的排气26中的NOx水平的所需值(即，期望值)或目标值。此后，可设定SCR系统30中的还原剂遗漏的期望值或目标值，如步骤124所指示。例如，可通过用户输入78在优化器58中设定SCR系统30中的还原剂遗漏的所需值(即，期望值)或目标值。在某些实施例中，SCR系统30中的还原剂遗漏的所需值(即，期望值)或目标值可以基于某些法规(例如，环境法规)的可允许或容许量为基础。接着，可设定离开排气处理系统14的烟囱38的处理后排气36中的NOx水平的所需值(即，期望值)或目标值，如步骤126中所指示。类似于以上所述，可通过用户输入78在优化器58中设定处理后排气36中的NOx的所需值(即，期望值)或目标值。另外，处理后排气36中的NOx的所需值(即，期望值)或目标值可以基于某些法规(例如，环境法规)的可允许或容许量为基础。
一旦以上提及的值已设定(例如，通过用户输入78、预编程或其他方式)，就可将还原剂喷射到SCR系统30中以实现期望的还原剂遗漏值，如步骤128所指示。例如，排气处理控制系统48的控制器52可调节阀44的操作，以便控制还原剂从还原剂源42到SCR系统30的还原剂喷射栅格32的流动。另外，排气处理控制系统48可从传感器60接收所测量还原剂遗漏(例如，未反应的还原剂)的反馈。控制器52可使用来自传感器60的测量反馈来进一步调节还原剂至SCR系统30中的流动(例如，通过控制阀44的操作)，以实现还原剂遗漏的所需值(即，期望值)。此外，在某些实施例中，可使用一种或多种算法来控制还原剂遗漏，所述算法可存储在排气处理控制系统48的存储器56中。例如，在一个实施例中，所述算法可以是美国专利申请公开号US2011/0192147中所描述的还原剂遗漏控制算法，所述专利申请的全部内容据此以引用的方式并入本说明书。
此后，可确定针对进入SCR系统30的排气26中的NOx的所需值(即，期望值)的调整，如步骤130所指示。例如，至少部分地基于传感器60和/或62所接收的测量反馈，可增大或减小离开燃气涡轮发动机12并进入SCR系统30的排气26中的NOx的所需值(即，期望值)。因此，优化器58可计算出适当的调整。例如，如果优化器58计算出SCR系统30具有另外的未使用能力/容量(例如，基于传感器60所确定的测量到的还原剂遗漏)，那么优化器58可确定应增加进入SCR系统30的排气26中的NOx的所需值(即，期望值)。
在确定针对进入SCR系统30的排气26中的NOx的所需值(即，期望值)的调整之后，涡轮机系统控制系统46(例如，优化器58)可确定调整燃气涡轮发动机12运行参数中的至少一个，以实现进入SCR系统30的排气26中的NOx的新的所需值(即，期望值)，如步骤132所指示。例如，如果优化器58确定进入SCR系统30的排气26中的NOx的所需值(即，期望值)应增加，那么燃气涡轮控制器68可操作燃气涡轮发动机12的水系统74来减少到燃烧器20中的水/蒸汽喷射。因此，由于水/蒸汽喷射减少，燃烧器20中的燃烧动力学可能减少，从而减少燃烧器20部件的磨损并且增加燃烧器20的使用寿命。可由燃气涡轮控制器68基于优化器58所确定的调整而做出改变的其他燃气涡轮发动机12运行参数可包括调整燃料分流(例如，调整至一个或多个燃料喷嘴和/或燃烧器的一个或多个燃料流)、火焰温度、燃料/空气比(或等效比)、燃料成分，等。
在对燃气涡轮发动机12的一个或多个运行参数做出调整以实现进入SCR系统30的排气26中的NOx的新的所需值(即，期望值)之后，涡轮机系统控制系统46(例如，优化器58)可再次按顺序循环地(例如，持续循环地(in a continuous loop))执行步骤128、130和132。也就是说，可将还原剂喷射到SCR系统30中以实现传感器30所测量的所需(/期望)还原剂遗漏值，可确定针对进入SCR系统30的排气26中的NOx的所需值(即，期望值)的调整，并且可针对燃气涡轮发动机12确定和实施一个或多个运行参数调整。以这种方 式，可协调(例如，同时协调和控制)燃气涡轮发动机12和SCR系统30的运行，以便在燃气涡轮发动机12的低于全负载或基本负载期间利用SCR系统30的可用能力/容量、减少燃烧器20中的燃烧动力学、减少CO排放物(例如，通过增加SCR系统30上游的燃气涡轮发动机12中的NOx排放物)、增加贫燃熄火余量、减少下调负载，等等。
如以上详细地讨论，涡轮机系统10(所述涡轮机系统10可以是简单循环重负载燃气涡轮机系统或航空发动机衍生物燃烧系统)包括涡轮机系统控制系统46，所述涡轮机系统控制系统46配置用于调节和协调燃气涡轮发动机12和SCR系统30的运行以实现涡轮机系统10所产生的排放物(例如，烟囱排放物)的所需/期望质量。例如，控制系统46可配置用于利用SCR系统30的可用的NOx还原能力/容量来降低NOx排放水平，以使得可减少其他排放物控制措施，从而提高燃气涡轮发动机12的性能、效率、寿命和/或功率输出。确切地说，当燃气涡轮发动机12不以全负载或基本负载运行、并且SCR系统30具有未使用的NOx还原能力/容量时，可调整燃气涡轮发动机12的运行参数来潜在地增加燃气涡轮发动机12所产生的排气26中的NOx水平，同时减少燃烧器硬件的机械疲劳和热疲劳、增加贫燃熄火余量、减少下调负载、减少其他排放化合物(例如，CO)，等等。例如，可预设定或预定燃气涡轮发动机12所产生的并进入SCR系统30的排气26中的NOx水平的变化。也就是说，排气26中的NOx水平可在第一 时间段以第一水平产生、并且在第二时间段以第二水平产生，并且因此SCR系统30可进一步降低处理后排气36中的NOx水平。另外，可同时控制和协调SCR系统30和燃气涡轮发动机12的运行，以便利用SCR系统30的可用的NOx还原能力。
本说明书使用多个实例来公开本实用新型，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本实用新型，包括制造并使用任何装置或系统，以及执行所涵盖的任何方法。本实用新型的要求保护范围由权利要求书限定，并且可包括所属领域的技术人员想出的其他实例。如果此类其他实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类其他实例包含的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，那么此类其他实例也应在权利要求书的范围内。

Claims (6)

1.一种燃气涡轮机排放物控制系统，所述系统包括：
配置用于产生排气的燃气涡轮发动机；
配置用于从所述排气产生处理后排气的选择性催化还原系统；以及
控制系统，所述控制系统包括：
配置用于调节所述选择性催化还原系统的运行的第一控制器；
配置用于调节所述燃气涡轮发动机的运行的第二控制器；以及
优化器，所述优化器配置用于协调所述第一控制器和所述第二控制器的运行，以便同时增加所述排气中的排放化合物的第一水平和调节还原剂到所述选择性催化还原系统中的喷射，从而使所述处理后排气中的所述排放化合物的第二水平降低至所述处理后排气中的所述排放化合物的第一期望水平。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述优化器配置用于调节所述选择性催化还原系统中的未反应还原剂的第一量，以实现所述未反应还原剂的第二期望值。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述排放化合物为NOx。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述还原剂为氨。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述控制系统包括燃气涡轮发动机控制器，所述燃气涡轮发动机控制器配置用于调节所述燃气涡轮发动机的一个或多个操作系统，以增加所述燃气涡轮发动机所产生的所述排气中的所述排放化合物的所述第一水平。
6.如权利要求5所述的系统，其中所述一个或多个操作系统包括配置用于调整所述燃气涡轮发动机的燃烧器的燃料分流的燃料系统、配置用于将水或蒸汽喷射到所述燃烧器中的水系统、或二者。
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